[go: up one dir, main page]

WO2009104989A1 - Pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats - Google Patents

Pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats Download PDF

Info

Publication number
WO2009104989A1
WO2009104989A1 PCT/RU2009/000082 RU2009000082W WO2009104989A1 WO 2009104989 A1 WO2009104989 A1 WO 2009104989A1 RU 2009000082 W RU2009000082 W RU 2009000082W WO 2009104989 A1 WO2009104989 A1 WO 2009104989A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
output
input
signal
control
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2009/000082
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич ПАВЛОВ
Сергей Витальевич САМКОВ
Евгений Владимирович СОЛОДОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HAUAN TERJE
CLOSED JOINT STOCK "NANOPULSE"
Original Assignee
HAUAN TERJE
CLOSED JOINT STOCK "NANOPULSE"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HAUAN TERJE, CLOSED JOINT STOCK "NANOPULSE" filed Critical HAUAN TERJE
Publication of WO2009104989A1 publication Critical patent/WO2009104989A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
    • G01S13/56—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds for presence detection
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/0205—Simultaneously evaluating both cardiovascular conditions and different types of body conditions, e.g. heart and respiratory condition
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/288—Coherent receivers
    • G01S7/2886—Coherent receivers using I/Q processing

Definitions

  • Pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat
  • the invention relates to medical diagnostic devices for studying the physiological functions of living organisms, in particular to ultra-wideband radar diagnostic tools for the diagnosis of respiration and heartbeat of patients.
  • Known pulse ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of one or more organs of the patient’s body - application US N ° 2004/0249258 A1, class. A61B 5/05, 2004.
  • the sensor is a pulsed ultra-wideband low power radar.
  • As the sounding reference signal short video pulses are used.
  • the sensor contains a pulsed constant-frequency generator, a transmitter, a transmitting and receiving antenna, a receiver, a unit for generating delayed signals, an analog-to-digital converter, a signal processing unit, an information display unit, a control and synchronization unit that performs advanced statistical processing of signals reflected from the studied objects of the patient .
  • the sensor uses a single-channel signal processing scheme, which does not allow obtaining information about the physiological parameters of the studied object with the required degree of reliability at any point at the working distance, because so-called “blind” zones appear between the sensor and the object under study, in which the phase sensitivity of the sensor is significantly reduced, although the amplitude of the probing signals reflected from the object can be quite large.
  • the presence of “blind” zones and the small width of the sensor range, which is determined by the duration of the reference signals reduces the accuracy of measurements of the physiological parameters of the patient in certain areas of the working distance, and therefore, such a sensor can only be used if the patient is completely still at a strictly fixed calculated distance .
  • Known pulsed ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of the patient's breathing and heartbeat - patent US Ns 4085740, class. A61B 5/02, 1978.
  • the sensor contains a modulator, a microwave signal generator, an attenuator, a shunt microwave tee, a phase-shifting circuit, a transmitting and receiving antenna, and a receiver including two channels, each of which includes a detector, an amplifier, and a filter.
  • the modulated microwave signal of the generator using the transmission line (waveguide) is directly fed to the transmitting antenna and is radiated towards the object under study.
  • the microwave signal of the generator as a reference signal, through the attenuator and the shunt microwave tee enters the mixer of the in-phase channel of the receiver and through the phase-shifting circuit providing a phase shift of the reference signal by 90 °, enters the mixer of the quadrature channel of the receiver.
  • the signal reflected from the object under investigation enters the mixers of each channel of the receiver.
  • the signal amplitude is determined, which is a function of the relative angular velocity of rotation of the phases of the signals supplied to the input of the mixer.
  • one channel of the receiver serves to isolate the signal characterizing respiration, and the second - to highlight the signal characterizing the patient's heart rate. Due to the fact that the receiver channels operate independently of each other, the sensor has the same disadvantages: the output signal of the sensor has low information content due to the appearance of “blind” zones in which the sensor cannot simultaneously measure respiration and heartbeat parameters; the use of the sensor is limited to a fixed distance between the sensor and the patient; the use of the sensor is excluded even with a slight movement of the investigated object.
  • the closest analogue is a pulsed ultra-wideband respiratory control sensor - application RU 2006135225, cl. A61B 5/08, decision to grant a patent dated 09/27/2007.
  • the sensor contains a probe signal generating section, including a radio pulse generator, a buffer amplifier and a bandpass filter, a controllable electronic key, a probing signal transmission section, including an amplifier and a bandpass filter, transmitting and receiving antennas, phase-shifting circuit, a path for receiving a reflected signal, including a band-pass filter, an amplifier and a receiver, each channel of which includes a mixer, a band-pass filter, an amplifier, a low-pass filter and an analog-to-digital converter zovatel (ADC), a control unit, a processor and a processing unit. Due to the joint processing of common-mode and
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) “blind” zones at a distance between the object under investigation and the sensor during patient diagnostics are excluded from the receiver’s quadrature channels, which allows more accurate restoration of the function and parameters of the object under investigation, in particular, the amplitude of motion and the frequency of oscillations.
  • each radio pulse at the generator output should have a zero phase, and due to the small range of the sensor, the reference radio pulse of the mixers should be formed in the immediate vicinity (along the time axis) from the probe pulse. This time is 4-20 nons. Two short video pulses with a duration of 2-3 ns are used in the sensor to start the radio pulse generator. With such time ranges, the residual oscillations in the generator circuit do not have time to decay to a sufficient degree so as not to affect the formation of the second radio pulse, therefore, in each sounding period, the reference radio pulses have a random initial phase. In addition, due to the jigger of the delay line of the control unit, the reference radio pulse has a position of the leading edge random in time.
  • the formation of the reference radio signal is carried out directly in the generator, and the controlled electronic key only redirects the reference radio signal to the transmission paths of the probing signal and receiving the reflected signal.
  • the instability of the position of the key control pulse in time negatively affects the phase difference between the reference and reflected from the studied object signals in the mixers. It also reduces the phase sensitivity of the sensor.
  • Z 1 (t) is the output signal of the in-phase channel of the receiver
  • Z 2 (t) is the output signal of the quadrature channel of the receiver
  • E m E o EinT o / 2 is the maximum interaction energy of the reflected and probing signals released at the output load with a unit resistance;
  • E 0 is the maximum amplitude of the probe signal
  • T 0 period of oscillations of the probe signal
  • p is an integer number of periods of oscillations filling the pulse of sounding
  • ⁇ 1 phase shift due to the distance between the investigated object and the sensor
  • ⁇ (t) is the instantaneous phase value due to the movement of the object under study
  • ⁇ is the wavelength of the oscillations filling the probe signal
  • ⁇ R is the maximum amplitude of the motion of the investigated object
  • a really probing signal is reflected not only from a moving object under study, but also from stationary objects near it, which introduces an error in the reliability of calculating the function and motion parameters of the object under study.
  • the aim of the present invention is to provide a pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat according to the movement of the chest of the patient being examined, which allows to increase the accuracy and reliability of measurements of respiration and heartbeat parameters of patients by increasing the phase sensitivity of the diagnosis of the studied object, eliminating blind spots over the entire working distance the sensor even when moving the patient being examined, and also to increase the accuracy of reproduction of the motion function and pairs ametres of the studied object, including by taking into account the reflected signal from stationary objects.
  • a pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat includes a transmitting and receiving antenna connected to a controlled antenna switch; a microwave signal generating path including a serially connected microwave signal generator, a high-pass filter and a buffer amplifier; controlled electronic key of probing and
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) reference signals SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) reference signals; a probe signal path including a high-pass filter and a power amplifier connected in series, the output of which is connected to the input of the antenna switch, and the high-pass filter input is connected to the first output of the electronic key; a reflected signal receiver including a low-noise amplifier, in-phase and quadrature channels, each of which includes a series-connected mixer, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, a low-frequency protective filter and an ADC, while the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the antenna switch, and the output to the inputs mixers; a reference signal path, including a series-connected high-pass filter, a power amplifier and a phase-shifting circuit, the output of which is connected to the second input of the mixer of the quadrature channel of the receiver, the output of the power amplifier is also connected to the second input of the mixer of the in-phase channel of the receiver,
  • the control and synchronization unit comprises a driver of control signals, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator, a driver of synchronization signals, the first output of which is connected to the control input of the electronic key, and the second output is connected to the control input of the antenna switch, and the master generator, the output which is connected to the inputs of the driver of the control signals and the driver of the synchronizing signals.
  • the control signal generator comprises an inverter, a controlled delay line, the control input of which is connected to the output of the processing unit, and a logic element "I", the first input of which is connected through the controlled delay line to the output of the inverter, the second input and input of the inverter are connected to the output of the master oscillator, and the output of the AND gate is connected to the input of the microwave signal generator.
  • the generator of synchronizing signals contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch.
  • Each channel for generating synchronizing signals contains a first delay line connected in series, the input of which is connected to the output of the master oscillator, an inverter and a second delay line, the output of which is connected to the first input of the AND gate, the second input of which is connected to
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the output of the first delay line, and the output is the output of the driver of synchronizing signals.
  • the power amplifier of the probe signal path is made with an adjustable gain.
  • FIG. 1 is a block diagram of a sensor.
  • FIG. 2 is a block diagram of a control and synchronization unit.
  • FIG. 3 is a timing diagram of the signal at the output of the master oscillator.
  • FIG. 4 is a timing diagram of a signal at the output of an inverter of a driver of a control signal.
  • FIG. 5 is a timing diagram of a signal at the output of a controlled delay line of a driver of control signals.
  • FIG. 6 is a timing diagram of the signal at the output of the logic element “AND” of the driver of the control signals.
  • FIG. 7 is a timing diagram of a signal at the output of a first delay line of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
  • FIG. 3 is a timing diagram of the signal at the output of the master oscillator.
  • FIG. 4 is a timing diagram of a signal at the output of an inverter of a driver of a control signal.
  • FIG. 5 is a timing diagram of a signal at the
  • FIG. 8 is a timing diagram of a signal at the inverter output of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
  • FIG. 9 is a timing diagram of a signal at the output of a second delay line of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
  • FIG. 10 is a timing diagram of a signal at the output of an AND gate of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals.
  • FIG. 11 is a timing diagram of a signal at the output of a first delay line of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver.
  • FIG. 12 is a timing diagram of a signal at the inverter output of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver.
  • FIG. 13 is a timing diagram of a signal at the output of a second delay line of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver.
  • FIG. 14 is a timing diagram of the signal at the output of the logical element “AND” of the channel for generating the control signal of the antenna switch of the former
  • FIG. 15 is a timing diagram of a signal at the output of a microwave signal generator.
  • FIG. 16 is a timing diagram of a signal at the input of a probe signal path.
  • FIG. 17 is a timing chart of a signal at an input of a reference signal path.
  • FIG. 18 is a timing chart of a sounding signal at an antenna output.
  • FIG. 19 is a timing chart of the reflected signal at the input of the in-phase and quadrature channels of the receiver.
  • FIG. 20 is a timing diagram of the process of multiplying the reference signal and the signal reflected from the object under study in the in-phase channel mixer of the receiver.
  • FIG. 21 is a time diagram of the process of multiplying the phase-shifted by 90 ° reference and reflected from the studied object signals in the mixer of the quadrature channel of the receiver.
  • FIG. 22 is a timing diagram of a signal at the output of a common-mode channel mixer of a receiver.
  • FIG. 23 is a timing diagram of a signal at an output of a mixer of a quadrature channel of a receiver.
  • FIG. 24 is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of a protective filter of an in-phase channel of a receiver.
  • FIG. 25 is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of a protective filter of a quadrature channel of a receiver.
  • the pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat includes (Fig. 1) a transmitting and receiving antenna 1, a controlled antenna switch 2, the use of which allows more efficient use of the energy of the generated microwave signal, the microwave signal generation path 3, a controlled electronic key 4 probing and reference signal generation, probe signal path 5, reflected signal receiver 6, reference signal path 7, information display unit 8, processing unit 9, bl ok 10 control and synchronization.
  • the use of a single transmitter-receiver antenna 1 in the sensor allows the receiver 6 to be protected from direct passage of the probing signals in the radiation mode, which reduces the requirements for the dynamic range of the receiver 6, as well as significantly reduce the weight, dimensions and cost of the sensor.
  • the microwave signal generating path 3 includes a serially connected microwave signal generator 11, a high-pass filter 12 and a buffer amplifier 13.
  • the location of the high-pass filter 12 in front of the buffer amplifier 13 allows to increase the stability and spectral frequency of the generated oscillations and reduce jitter (undesired phase and / or random frequency deviation). In the future, this allows to significantly increase the accuracy of the estimated phase of the received
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) reflected signal, which in turn allows for higher accuracy of observation of small-amplitude mechanical movements, such as movement of the surface of the chest caused by the work of the heart.
  • the probe signal path 5 includes a high-pass filter 14 and a power amplifier 15 connected in series.
  • the receiver 6 of the reflected signal includes a low noise amplifier 16, in-phase 17 and quadrature 18 channels.
  • the common-mode channel 17 includes a series-connected mixer 19, a low-pass filter 20, a low-frequency amplifier 21, a low-frequency protective filter 22, and an ADC 23.
  • a channel 18 includes a series-connected mixer 24, a low-pass filter 25, a low-frequency amplifier 26, a low-frequency protective filter 27 and ADC 28.
  • Protective filters 22 and 27 eliminate the effect of superposition of the spectra during sampling.
  • the reference signal path 7 includes a series-connected high-pass filter 29, a power amplifier 30, and a phase-shifting circuit 31.
  • the control and synchronization unit 10 (Fig. 2) contains a control signal generator 32, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator 11, a synchronization signal generator 33, the first output of which is connected to the control input of the electronic key 4, and the second output is connected to the control input antenna switch 2, and a master oscillator 34, the output of which is connected to the inputs of the shaper 32 of the control signals and the shaper 33 of the synchronizing signals.
  • the driver 32 of the control signals contains an inverter 35, a controlled delay line 36, the control input of which is connected to the output of the processing unit 9, and a logic element "I" 37, the first input of which is connected through the controlled delay line 36 to the output of the inverter 35.
  • the second input of the logic element " And "37 and the input of the inverter 35 are connected to the output of the master oscillator 34, and the output of the logic element" And "37 is connected to the input of the microwave signal generator 11.
  • Shaper of synchronizing signals 33 contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator 34, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key 4, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch 2.
  • Channel for generating synchronizing signals to control operation the electronic key 4 contains a series-connected first delay line 38, the input of which is connected to the output of the master oscillator 34, an inverter 39 and a second a delay line 40, the output of which is connected to the first input of the AND gate 41.
  • the second input of the AND gate 41 is connected to the output of the first delay line 38, and the output, being the second output of the clock generator 33, is connected to the control input of the electronic key 4.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) clock signal to control the operation of the antenna switch 2 contains a series-connected first delay line 42, the input of which is connected to the output of the master oscillator 34, an inverter 43 and a second delay line 44, the output of which is connected to the first input of the logical element "AND" 45.
  • the second input of the logical element "And” 45 is connected to the output of the first delay line 42, and the output, being the third output of the synchronizer 33, is connected to the control input of the antenna switch 2.
  • the sensor operates as follows.
  • the master oscillator 34 generates clock signals in the form of rectangular video pulses (Fig. 3) with a repetition rate that determines the repetition rate of the sensing pulses (1-2 MHz), which simultaneously enter the driver 32 of the control signals and the driver 33 of the synchronizing signals.
  • the output signals of the master oscillator 34 are fed to the second input of the logical element "And" 37.
  • the inverted (Fig. 4) inverter 35 and the signals (delayed by the controlled delay line 36) (Fig. 5) from the master oscillator are inverted (Fig. 4) 34.
  • the generated rectangular pulses (Fig. 6) have a duration determined by the delay time ⁇ i of the delay line 36.
  • the delay time ⁇ - ⁇ is set by the operator through the processing unit 9 connected to the control input of the line and 36 delays, and determines the range of the sensor.
  • the generated signals are fed from the first output of the driver 32 of the control signals to the triggering input of the microwave signal generator 11, which generates microwave radio pulses with a duration equal to the duration of the triggering video pulses.
  • the output signals of the master oscillator 34 are also input to the shaper 33 of the synchronizing signals having two channels.
  • the first channel generating the electronic key control signal 4 includes a first delay line 38, an inverter 39, a second delay line 40, and an AND gate 41.
  • the delay line 38 provides a delay of the output signals of the master oscillator 34 by time X 2 (Fig. 7) necessary for the formation of microwave radio signals in the generator 11 and their passage through the high-pass filter 12 and the buffer amplifier 13 of the microwave signal generation path 3 so that the leading edge of the control signal (Fig. 10) is fed to the control input of the electronic key 4 at the same time enno beginning with receipt of the microwave radio pulse (FIG. 15) from the output of buffer amplifier 13 to the electronic key input signals 4.
  • the second channel generating the control signal for the antenna switch 2 includes a first delay line 42, an inverter 43, a second delay line 44, and an AND gate 45.
  • the delay time ⁇ 4 of the output signals of the master oscillator 34 is selected so that the beginning of the antenna input switch 2 (Fig. 18) of the probe microwave pulse corresponded to the leading edge of the control signal (Fig. 14) coming from the third output of the control and synchronization unit 10 (from the output of the logic element “AND” 45).
  • Timing diagrams of signals explaining the operation of the channel for generating the control signal of the antenna switch 2 are shown in FIG. 11-14.
  • the switching time of the antenna switch 2 from one position to another is determined by the duration of the output control signals (Fig. 14) and is set by the delay time ⁇ 5 of the delay line 44. This delay time should correspond to the duration of the selected sensing signals.
  • the control and synchronization unit 10 generates a start signal for the generator 11 — a video pulse with a duration of 10 ... 21 nsec, which corresponds to the maximum range of the sensor created from a rectangular video pulse from the output of the master oscillator 34 by the delay line 36.
  • the delay time is set by the operator through the processing unit 9 before the start of measurements and does not change during the measurement.
  • Using the delay line 36 allows you to quickly rebuild and limit the maximum range of the sensor.
  • the formation of one trigger signal of the generator 11 allows you to avoid the formation of the output of the sensor signals corresponding to the "false movement" of the investigated object and / or stationary objects.
  • the generator 11 After the start signal arrives, the generator 11 generates relatively long radio pulses (Fig. 15), which pass through the high-pass filter 12, where harmonic components below ⁇ 5.5 GHz are suppressed, and a buffer amplifier 13, which, in addition to amplification, excludes the influence of the load on the generator circuits 11.
  • a buffer amplifier 13 At the output of the microwave signal generation path 3, we obtain radio pulses with a duration of 10-21 not with a filling frequency of 6.5 GHz and a repetition frequency that depends on the trigger signal, for example, with a sensor range of up to 2 meters - 1 ... 2 MHz.
  • the controlled electronic key 4 extracts a probing signal (Fig. 16) of the order of 2 nsec duration supplied through the high-pass filter 14 and the power amplifier 15 of the probing signal generating path 5 to the input of the controlled electronic switch 2, and a reference signal (Fig. 17) of a duration of the order of 8-19 non, coming through a high-pass filter 29 and a power amplifier 30 of the path 7
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the formation of the reference signals to the input of the mixer 19 of the in-phase channel 17 of the receiver 6, and through the high-pass filter 29, the power amplifier 30 and the phase-shifting circuit 31 of the path 7 of the formation of the reference signals to the input of the mixer 24 of the quadrature channel 18 of the receiver 6.
  • the instability of the position coming from the control unit 10 and synchronization of the control signal of the electronic key 4 in time does not affect the phase difference of the reference and received reflected signals in the mixers 19 and 24, since these signals are formed from a single microwave signal.
  • the signal passes through a high-pass filter 14 with a cutoff frequency of ⁇ 5.5 GHz, which removes the low-frequency harmonics of the electronic key 4 control signals, is amplified by a power amplifier 15 with an adjustable gain to the level necessary to operate at a given range, and is fed to controlled antenna switch 2.
  • Antenna switch 2 provides the operation of the transmit-receive antenna 1 in two modes - for transmitting and for receiving. By default, the antenna 1 operates in the mode of receiving a signal reflected from the object under investigation, and when a signal is supplied from the control and synchronization unit 10 to the control input of the antenna switch 2, the antenna operates in the transmission mode of the probing signal (Fig. 18).
  • the signal reflected from the object under investigation (Fig. 19) with a delay corresponding to the propagation time of the signal to the object and back arrives at antenna switch 2, which, after the radiation of the probe pulse, was switched back to the “receive” position.
  • the signal enters through the low-noise amplifier 16 to the mixer 19 of the common-mode channel 17 of the receiver 6, where it is multiplied (Fig. 20) with the reference radio pulse from the output of the power amplifier 30, and to the mixer 24 of the quadrature channel 18 of the receiver 6, where it is multiplied (Fig. 21) with a phase-shifted phase-shifting circuit 31 phase-locked reference radio pulse from the output of the power amplifier 30.
  • This operation of the sensor in the mode of receiving the reflected signal allows you to provide a protective interval (range), within which the reception of reflected signals is not conducted. This allows you to increase the noise immunity of the receiver 6 from significant passive interference created by objects located in the immediate vicinity of the transmitting and receiving antenna 1.
  • the output signals of the mixers (Fig. 22 and Fig. 23, respectively) pass low-pass filters 20 and 25 with a cutoff frequency of 0.5 kHz.
  • the filters 22 and 27 we obtain signals corresponding to the phase change of the received signal reflected from the object under study with respect to the reference signals (Fig. 24 and Fig. 25, respectively).
  • the ADCs 23 and 28 digitize the signals arriving at them, which are sent to the processing unit 9, which ensures the restoration of the law of motion and determination of motion parameters
  • G1 and G2 are constants corresponding to the level of signals reflected from stationary objects during the examination of the patient.
  • the monitoring results are displayed on the parameters and condition of the respiratory and cardiovascular systems of the examined patient.
  • the gating (range sampling) of the ADCs 23 and 28, as well as the accumulation of responses to the probing signals, made it possible to significantly increase the phase sensitivity of the diagnostics of the studied object and to exclude “blind” zones over the entire working distance of the sensor even when moving the patient being examined, which made it possible to increase the accuracy and the validity of measurements of respiration and heart rate.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Circuits Of Receivers In General (AREA)

Abstract

The invention relates to medical diagnosis instruments for examining the physiological functions of living organisms, in particular to radiolocating ultrabroadband means for diagnosing the respiration and heartbeats parameters of patients. The inventive pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats comprises a transmitting-receiving antenna (1), a controllable antenna switch (2), an UHF signal forming path (3), a controllable electronic key (4), a sounding signal path (5), a reflected signal receiver (6) comprising a low-noise amplifier (16) and inphase (17) and quadrature (18) channels, a reference signal path (7), an information display unit (8), a processing unit (9) and a control and synchronisation unit (10).

Description

Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения Pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat

Изобретение относится к медицинским диагностическим приборам для исследования физиологических функций живых организмов, в частности к радиолокационным сверхширокополосным средствам диагностики параметров дыхания и сердцебиения пациентов.The invention relates to medical diagnostic devices for studying the physiological functions of living organisms, in particular to ultra-wideband radar diagnostic tools for the diagnosis of respiration and heartbeat of patients.

Известен импульсный сверхширокополосный датчик мониторинга физиологических параметров одного и более органов тела пациента - заявка US N° 2004/0249258 A1 , кл. A61B 5/05, 2004. Датчик представляет собой импульсный сверхширокополосный радар малой мощности. В качестве опорного зондирующего сигнала используются короткие видеоимпульсы. Датчик содержит импульсный генератор постоянной частоты, передатчик, приемно-передающую антенну, приемник, блок генерации задержанных сигналов, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки сигнала, блок отображения информации, блок управления и синхронизации, который осуществляет расширенную статистическую обработку отраженных от исследуемых объектов пациента сигналов. В датчике используется одноканальная схема обработки сигнала, которая не позволяет получить информацию о физиологических параметрах исследуемого объекта с требуемой степенью достоверности в любой точке на рабочей дистанции, т.к. между датчиком и исследуемым объектом появляются так называемые «cлeпыe» зоны, в которых фазовая чувствительность датчика существенно снижается, хотя амплитуда отраженных от объекта зондирующих сигналов может быть достаточно большой. Наличие «cлeпыx» зон и малая ширина участка дальности датчика, которая определяется длительностью опорных сигналов, снижает точность измерений физиологических параметров пациента в определенных зонах рабочей дистанции, в связи с чем, такой датчик может применяться только при условии полной неподвижности пациента на строго фиксированном расчетном расстоянии.Known pulse ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of one or more organs of the patient’s body - application US N ° 2004/0249258 A1, class. A61B 5/05, 2004. The sensor is a pulsed ultra-wideband low power radar. As the sounding reference signal, short video pulses are used. The sensor contains a pulsed constant-frequency generator, a transmitter, a transmitting and receiving antenna, a receiver, a unit for generating delayed signals, an analog-to-digital converter, a signal processing unit, an information display unit, a control and synchronization unit that performs advanced statistical processing of signals reflected from the studied objects of the patient . The sensor uses a single-channel signal processing scheme, which does not allow obtaining information about the physiological parameters of the studied object with the required degree of reliability at any point at the working distance, because so-called “blind” zones appear between the sensor and the object under study, in which the phase sensitivity of the sensor is significantly reduced, although the amplitude of the probing signals reflected from the object can be quite large. The presence of “blind” zones and the small width of the sensor range, which is determined by the duration of the reference signals, reduces the accuracy of measurements of the physiological parameters of the patient in certain areas of the working distance, and therefore, such a sensor can only be used if the patient is completely still at a strictly fixed calculated distance .

Известен импульсный сверхширокополосный радиолокационный прибор для контроля физиологических параметров одного и более органов тела пациента, включая контроль дыхания и сердцебиения - патент US Ns 5573012, кл. A61B 5/08, 1996. Принцип работы прибора основан на обработке отраженных от исследуемых объектов сигналов и формировании усредненного по амплитуде аудиосигнала с амплитудно-частотной модуляцией. Принимаемый приемной антенной сигнал может раздельно обрабатываться посредством частотной фильтрации и усиления для контроля различных физиологических параметров пациента. Однако конструкция прибора и способ обработкиKnown pulsed ultra-wideband radar device for monitoring the physiological parameters of one or more organs of the patient’s body, including control of respiration and heartbeat - patent US Ns 5573012, cl. A61B 5/08, 1996. The principle of operation of the device is based on the processing of signals reflected from the studied objects and the formation of an amplitude-averaged audio signal with amplitude-frequency modulation. The signal received by the receiving antenna can be separately processed by frequency filtering and amplification to control various physiological parameters of the patient. However, the design of the device and the processing method

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) сигнала не исключает возможности появления «cлeпыx» зон на участках рабочей дальности между исследуемым объектом и прибором, т.е. прибору присущи те же самые вышеперечисленные недостатки.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the signal does not exclude the possibility of the appearance of “blind” zones in the areas of the working range between the studied object and the device, i.e. The device has the same disadvantages listed above.

Известен импульсный сверхширокополосный датчик для контроля физиологических параметров дыхания и сердцебиения пациента - патент US Ns 4085740, кл. A61B 5/02, 1978. Датчик содержит модулятор, генератор СВЧ-сигнала, аттенюатор, шунтовый СВЧ тройник, фазосдвигающую цепь, передающую и приемную антенны, приемник, включающий два канала, каждый из которых включает детектор, усилитель и фильтр. Модулированный СВЧ-сигнал генератора с помощью линии передачи (волновода) непосредственно подводится к передающей антенне и излучается в сторону исследуемого объекта. Одновременно СВЧ-сигнал генератора, как опорный сигнал, через аттенюатор и шунтовый СВЧ тройник поступает в смеситель синфазного канала приемника и через фазосдвигающую цепь, обеспечивающую сдвиг фазы опорного сигнала на 90°, поступает в смеситель квадратурного канала приемника. Отраженный от исследуемого объекта сигнал поступает в смесители каждого канал приемника. После детектирования или демодуляции в каждом канале суммарного выходного сигнала смесителя определяется амплитуда сигнала, которая является функцией относительной угловой скорости вращения фаз сигналов, поступающих на вход смесителя. При этом в зависимости от настройки усилителей и частотных фильтров на соответствующую амплитуду и частоту контролируемого физиологического параметра пациента, один канал приемника служит для выделения сигнала, характеризующего дыхание, а второй - для выделения сигнала, характеризующего частоту сердцебиения пациента. В связи с тем, что каналы приемника работают независимо друг от друга, датчику присущи те же недостатки: выходной сигнал датчика обладает малой информативностью вследствие возникновения «cлeпыx» зон, в которых датчик не может одновременно измерять параметры дыхания и сердцебиения; применение датчика ограничивается фиксированным расстоянием между датчиком и пациентом; исключается применение датчика даже при незначительном перемещении исследуемого объекта.Known pulsed ultra-wideband sensor for monitoring the physiological parameters of the patient's breathing and heartbeat - patent US Ns 4085740, class. A61B 5/02, 1978. The sensor contains a modulator, a microwave signal generator, an attenuator, a shunt microwave tee, a phase-shifting circuit, a transmitting and receiving antenna, and a receiver including two channels, each of which includes a detector, an amplifier, and a filter. The modulated microwave signal of the generator using the transmission line (waveguide) is directly fed to the transmitting antenna and is radiated towards the object under study. At the same time, the microwave signal of the generator, as a reference signal, through the attenuator and the shunt microwave tee enters the mixer of the in-phase channel of the receiver and through the phase-shifting circuit providing a phase shift of the reference signal by 90 °, enters the mixer of the quadrature channel of the receiver. The signal reflected from the object under investigation enters the mixers of each channel of the receiver. After detection or demodulation in each channel of the total output signal of the mixer, the signal amplitude is determined, which is a function of the relative angular velocity of rotation of the phases of the signals supplied to the input of the mixer. In this case, depending on the settings of amplifiers and frequency filters for the corresponding amplitude and frequency of the physiological parameter of the patient being controlled, one channel of the receiver serves to isolate the signal characterizing respiration, and the second - to highlight the signal characterizing the patient's heart rate. Due to the fact that the receiver channels operate independently of each other, the sensor has the same disadvantages: the output signal of the sensor has low information content due to the appearance of “blind” zones in which the sensor cannot simultaneously measure respiration and heartbeat parameters; the use of the sensor is limited to a fixed distance between the sensor and the patient; the use of the sensor is excluded even with a slight movement of the investigated object.

Наиболее близким аналогом является импульсный сверхширокополосный датчик контроля дыхания - заявка RU 2006135225, кл. A61B 5/08, решение о выдаче патента от 27.09.2007 г. Датчик содержит тракт формирования зондирующего сигнала, включающий генератор радиоимпульсов, буферный усилитель и полосовой фильтр, управляемый электронный ключ, тракт передачи зондирующего сигнала, включающий усилитель и полосовой фильтр, передающую и приемную антенны, фазосдвигающую цепь, тракт приема отраженного сигнала, включающий полосовой фильтр, усилитель и приемник, каждый канал которого включает смеситель, полосовой фильтр, усилитель, фильтр низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок управления, блок процессор и блок обработки. За счет совместной обработки сигналов синфазного иThe closest analogue is a pulsed ultra-wideband respiratory control sensor - application RU 2006135225, cl. A61B 5/08, decision to grant a patent dated 09/27/2007. The sensor contains a probe signal generating section, including a radio pulse generator, a buffer amplifier and a bandpass filter, a controllable electronic key, a probing signal transmission section, including an amplifier and a bandpass filter, transmitting and receiving antennas, phase-shifting circuit, a path for receiving a reflected signal, including a band-pass filter, an amplifier and a receiver, each channel of which includes a mixer, a band-pass filter, an amplifier, a low-pass filter and an analog-to-digital converter zovatel (ADC), a control unit, a processor and a processing unit. Due to the joint processing of common-mode and

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) квадратурного каналов приемника исключаются «cлeпыe» зоны на дистанции между исследуемым объектом и датчиком при диагностике пациента, что позволяет с большей точностью восстанавливать функцию и параметры перемещения исследуемого объекта, в частности амплитуду движения и частоту колебаний.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) “blind” zones at a distance between the object under investigation and the sensor during patient diagnostics are excluded from the receiver’s quadrature channels, which allows more accurate restoration of the function and parameters of the object under investigation, in particular, the amplitude of motion and the frequency of oscillations.

Однако это устройство обладает недостатками. Так каждый радиоимпульс на выходе генератора должен иметь нулевую фазу, а вследствие малых дальностей действия датчика опорный радиоимпульс смесителей должен формироваться в непосредственной близости (по оси времени) от зондирующего импульса. Это время составляет 4-20 не. Для запуска генератора радиоимпульсов в датчике используются два коротких видеоимпульса длительностью 2-3 не. При таких временных диапазонах, остаточные колебания в контуре генератора не успевают затухнуть до достаточной степени, чтобы не влиять на формирование второго радиоимпульса, поэтому в каждом периоде зондирования опорные радиоимпульсы имеют случайную начальную фазу. Кроме того, из-за джиггера линии задержки блока управления опорный радиоимпульс имеет случайное во времени положение переднего фронта. Эти два фактора приводят к тому, что на выходе смесителей приемника, даже при неподвижной цели наблюдаются ложные перемещения, создающие дополнительную шумовую составляющую для сигнала сердцебиения, который при ограниченном динамическом диапазоне датчика и необходимости сохранить сигнал дыхания, имеет небольшие значения сигнал/шум. Все это снижает чувствительность датчика.However, this device has disadvantages. So, each radio pulse at the generator output should have a zero phase, and due to the small range of the sensor, the reference radio pulse of the mixers should be formed in the immediate vicinity (along the time axis) from the probe pulse. This time is 4-20 nons. Two short video pulses with a duration of 2-3 ns are used in the sensor to start the radio pulse generator. With such time ranges, the residual oscillations in the generator circuit do not have time to decay to a sufficient degree so as not to affect the formation of the second radio pulse, therefore, in each sounding period, the reference radio pulses have a random initial phase. In addition, due to the jigger of the delay line of the control unit, the reference radio pulse has a position of the leading edge random in time. These two factors lead to the fact that at the output of the receiver mixers, even with a stationary target, false movements are observed, creating an additional noise component for the heartbeat signal, which, with a limited dynamic range of the sensor and the need to save the breathing signal, has small signal-to-noise values. All this reduces the sensitivity of the sensor.

Формирование опорного радиосигнала осуществляется непосредственно в генераторе, а управляемый электронный ключ только перенаправляет опорный радиосигнал в тракты передачи зондирующего сигнала и приема отраженного сигнала. Нестабильность положения импульса управления ключом во времени негативно влияет на разность фаз опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителях. Это также снижает фазовую чувствительность датчика.The formation of the reference radio signal is carried out directly in the generator, and the controlled electronic key only redirects the reference radio signal to the transmission paths of the probing signal and receiving the reflected signal. The instability of the position of the key control pulse in time negatively affects the phase difference between the reference and reflected from the studied object signals in the mixers. It also reduces the phase sensitivity of the sensor.

Кроме того, датчик позволяет получить достоверные данные параметров перемещения исследуемого объекта только в частном случае, когда в поле зрения датчика присутствует только одна движущаяся цель, восстановив закон возвратно- поступательного движения объекта согласно следующим зависимостям:

Figure imgf000005_0001
Z2(t)= -^Em sm(φ{ή+φι)In addition, the sensor allows you to obtain reliable data on the parameters of the movement of the investigated object only in the particular case when there is only one moving target in the field of view of the sensor, restoring the law of reciprocating movement of the object according to the following dependencies:
Figure imgf000005_0001
Z 2 (t) = - ^ E m sm (φ {ή + φι )

Figure imgf000005_0002
Figure imgf000005_0002

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) F(Ωt) = —Ш+φι)= —(4я—sш(Ωt)+4π%] = ARsiп(Ωt)+ Rι SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) F (Ωt) = -w + φ ι) = - (4n-ssh (Ωt) + 4π%] = ARsip (Ωt) + R ι

4π 4π \ λ λ J где Z1 (t) - выходной сигнал синфазного канала приемника;4π 4π \ λ λ J where Z 1 (t) is the output signal of the in-phase channel of the receiver;

Z2 (t) - выходной сигнал квадратурного канала приемника;Z 2 (t) is the output signal of the quadrature channel of the receiver;

Em= EoEinTo/2 - максимальная энергия взаимодействия отраженного и зондирующего сигналов, выделяющаяся на выходной нагрузке с единичным сопротивлением;E m = E o EinT o / 2 is the maximum interaction energy of the reflected and probing signals released at the output load with a unit resistance;

E0- максимальная амплитуда зондирующего сигнала;E 0 is the maximum amplitude of the probe signal;

E1 - максимальная амплитуда принятого отраженного сигнала;E 1 - the maximum amplitude of the received reflected signal;

T0- период колебаний зондирующего сигнала; п - целое число периодов колебаний, заполняющих импульс зондирования; φ1 - фазовый сдвиг, обусловленный расстоянием между исследуемым объектом и датчиком; φ (t) - мгновенное значение фазы, обусловленное движением исследуемого объекта; λ - длина волны колебаний, заполняющих зондирующий сигнал;T 0 - period of oscillations of the probe signal; p is an integer number of periods of oscillations filling the pulse of sounding; φ 1 - phase shift due to the distance between the investigated object and the sensor; φ (t) is the instantaneous phase value due to the movement of the object under study; λ is the wavelength of the oscillations filling the probe signal;

Ω=2πf - круговая частота движения исследуемого объекта; f - частота движения исследуемого объекта; t - текущее время;Ω = 2πf is the circular frequency of movement of the investigated object; f is the frequency of movement of the investigated object; t is the current time;

ΔR - максимальная амплитуда движения исследуемого объекта;ΔR is the maximum amplitude of the motion of the investigated object;

R1 - расстояние между исследуемым объектом и датчиком.R 1 - the distance between the investigated object and the sensor.

Однако реально зондирующий сигнал отражается не только от движущегося исследуемого объекта, но и от находящихся вблизи неподвижных объектов, что вносит погрешность в достоверность вычисления функции и параметров движения исследуемого объекта.However, a really probing signal is reflected not only from a moving object under study, but also from stationary objects near it, which introduces an error in the reliability of calculating the function and motion parameters of the object under study.

Целью настоящего изобретения является создание импульсного сверхширокополосного датчика дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения по движению грудной клетки обследуемого пациента, позволяющего повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения пациентов, за счет повышения фазовой чувствительности диагностики исследуемого объекта, исключения «cлeпыx» зон на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, а также повысить точность воспроизведения функции движения и параметров исследуемого объекта, в том числе за счет учета отраженного сигнала от неподвижных объектов.The aim of the present invention is to provide a pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat according to the movement of the chest of the patient being examined, which allows to increase the accuracy and reliability of measurements of respiration and heartbeat parameters of patients by increasing the phase sensitivity of the diagnosis of the studied object, eliminating blind spots over the entire working distance the sensor even when moving the patient being examined, and also to increase the accuracy of reproduction of the motion function and pairs ametres of the studied object, including by taking into account the reflected signal from stationary objects.

Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения содержит приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем; тракт формирования СВЧ сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель; управляемый электронный ключ формирования зондирующего иA pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat includes a transmitting and receiving antenna connected to a controlled antenna switch; a microwave signal generating path including a serially connected microwave signal generator, a high-pass filter and a buffer amplifier; controlled electronic key of probing and

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) опорного сигналов; тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа; приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и АЦП, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход с входами смесителей; тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа; последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами АЦП; блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) reference signals; a probe signal path including a high-pass filter and a power amplifier connected in series, the output of which is connected to the input of the antenna switch, and the high-pass filter input is connected to the first output of the electronic key; a reflected signal receiver including a low-noise amplifier, in-phase and quadrature channels, each of which includes a series-connected mixer, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, a low-frequency protective filter and an ADC, while the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the antenna switch, and the output to the inputs mixers; a reference signal path, including a series-connected high-pass filter, a power amplifier and a phase-shifting circuit, the output of which is connected to the second input of the mixer of the quadrature channel of the receiver, the output of the power amplifier is also connected to the second input of the mixer of the in-phase channel of the receiver, and the input of the high-frequency filter is connected to the second output electronic key; serially connected information display unit and processing unit connected to ADC outputs; control and synchronization unit, the input of which is connected to the second output of the processing unit, the first output is connected to the input of the microwave signal generator, the second output is connected to the control input of the electronic key, and the third output is connected to the control input of the antenna switch.

При этом блок управления и синхронизации содержит формирователь управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, формирователь синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя, и задающий генератор, выход которого соединен с входами формирователя управляющих сигналов и формирователя синхронизирующих сигналов. Формирователь управляющих сигналов содержит инвертор, управляемую линию задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока обработки, и логический элемент «И», первый вход которого через управляемую линию задержки соединен с выходом инвертора, второй вход и вход инвертора соединены с выходом задающего генератора, а выход логического элемента «И» соединен с входом генератора СВЧ- сигнала. Формирователь синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя. Каждый канал формирования синхронизирующих сигналов содержит последовательно соединенные первую линию задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора, инвертор и вторую линию задержки, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход которого соединен сThe control and synchronization unit comprises a driver of control signals, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator, a driver of synchronization signals, the first output of which is connected to the control input of the electronic key, and the second output is connected to the control input of the antenna switch, and the master generator, the output which is connected to the inputs of the driver of the control signals and the driver of the synchronizing signals. The control signal generator comprises an inverter, a controlled delay line, the control input of which is connected to the output of the processing unit, and a logic element "I", the first input of which is connected through the controlled delay line to the output of the inverter, the second input and input of the inverter are connected to the output of the master oscillator, and the output of the AND gate is connected to the input of the microwave signal generator. The generator of synchronizing signals contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch. Each channel for generating synchronizing signals contains a first delay line connected in series, the input of which is connected to the output of the master oscillator, an inverter and a second delay line, the output of which is connected to the first input of the AND gate, the second input of which is connected to

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) выходом первой линии задержки, а выход является выходом формирователя синхронизирующих сигналов.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the output of the first delay line, and the output is the output of the driver of synchronizing signals.

Усилитель мощности тракта зондирующего сигнала выполнен с регулируемым коэффициентом усиления.The power amplifier of the probe signal path is made with an adjustable gain.

Краткое описание фигур. Фиг. 1 - структурная схема сенсора.A brief description of the figures. FIG. 1 is a block diagram of a sensor.

Фиг. 2 - структурная схема блока управления и синхронизации. Фиг. 3 - временная диаграмма сигнала на выходе задающего генератора. Фиг. 4 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора формирователя управляющих сигналов. Фиг. 5 - временная диаграмма сигнала на выходе управляемой линии задержки формирователя управляющих сигналов. Фиг. 6 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» формирователя управляющих сигналов. Фиг. 7 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 8 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 9 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 10 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления электронным ключом формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 11 - временная диаграмма сигнала на выходе первой линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 12 - временная диаграмма сигнала на выходе инвертора канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 13 - временная диаграмма сигнала на выходе второй линии задержки канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователя синхронизирующих сигналов. Фиг. 14 - временная диаграмма сигнала на выходе логического элемента «И» канала формирования сигнала управления антенным переключателем формирователяFIG. 2 is a block diagram of a control and synchronization unit. FIG. 3 is a timing diagram of the signal at the output of the master oscillator. FIG. 4 is a timing diagram of a signal at the output of an inverter of a driver of a control signal. FIG. 5 is a timing diagram of a signal at the output of a controlled delay line of a driver of control signals. FIG. 6 is a timing diagram of the signal at the output of the logic element “AND” of the driver of the control signals. FIG. 7 is a timing diagram of a signal at the output of a first delay line of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals. FIG. 8 is a timing diagram of a signal at the inverter output of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals. FIG. 9 is a timing diagram of a signal at the output of a second delay line of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals. FIG. 10 is a timing diagram of a signal at the output of an AND gate of a channel for generating a control signal of an electronic key of a generator of synchronizing signals. FIG. 11 is a timing diagram of a signal at the output of a first delay line of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver. FIG. 12 is a timing diagram of a signal at the inverter output of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver. FIG. 13 is a timing diagram of a signal at the output of a second delay line of a channel for generating a control signal of an antenna switch of a clock driver. FIG. 14 is a timing diagram of the signal at the output of the logical element “AND” of the channel for generating the control signal of the antenna switch of the former

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) синхронизирующих сигналов.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) clock signals.

Фиг. 15 - временная диаграмма сигнала на выходе генератора СВЧ сигнала. Фиг. 16 - временная диаграмма сигнала на входе тракта зондирующего сигнала. Фиг. 17 - временная диаграмма сигнала на входе тракта опорных сигналов. Фиг. 18 - временная диаграмма зондирующего сигнала на выходе антенны. Фиг. 19 - временная диаграмма отраженного сигнала на входе синфазного и квадратурного каналов приемника. Фиг. 20 - временная диаграмма процесса перемножения опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе синфазного канала приемника. Фиг. 21 - временная диаграмма процесса перемножения сдвинутого по фазе на 90° опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов в смесителе квадратурного канала приемника. Фиг. 22 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя синфазного канала приемника. Фиг. 23 - временная диаграмма сигнала на выходе смесителя квадратурного канала приемника. Фиг. 24 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра синфазного канала приемника. Фиг. 25 - временная диаграмма низкочастотного сигнала на выходе защитного фильтра квадратурного канала приемника.FIG. 15 is a timing diagram of a signal at the output of a microwave signal generator. FIG. 16 is a timing diagram of a signal at the input of a probe signal path. FIG. 17 is a timing chart of a signal at an input of a reference signal path. FIG. 18 is a timing chart of a sounding signal at an antenna output. FIG. 19 is a timing chart of the reflected signal at the input of the in-phase and quadrature channels of the receiver. FIG. 20 is a timing diagram of the process of multiplying the reference signal and the signal reflected from the object under study in the in-phase channel mixer of the receiver. FIG. 21 is a time diagram of the process of multiplying the phase-shifted by 90 ° reference and reflected from the studied object signals in the mixer of the quadrature channel of the receiver. FIG. 22 is a timing diagram of a signal at the output of a common-mode channel mixer of a receiver. FIG. 23 is a timing diagram of a signal at an output of a mixer of a quadrature channel of a receiver. FIG. 24 is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of a protective filter of an in-phase channel of a receiver. FIG. 25 is a timing diagram of a low-frequency signal at the output of a protective filter of a quadrature channel of a receiver.

Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения, согласно изобретению, включает (фиг. 1) приемно-передающую антенну 1 , управляемый антенный переключатель 2, применение которого позволяет более рационально использовать энергию генерируемого СВЧ сигнала, тракт 3 формирования СВЧ сигнала, управляемый электронный ключ 4 формирования зондирующего и опорного сигналов, тракт 5 зондирующего сигнала, приемник 6 отраженного сигнала, тракт 7 опорных сигналов, блок 8 отображения информации, блок 9 обработки, блок 10 управления и синхронизации. Применение в датчике одной приемно-передающей антенны 1 позволяет в режиме излучения защитить приемник 6 от прямого прохождения зондирующих сигналов, что снижает требования к динамическому диапазону приемника 6, а также значительно уменьшить вес, габариты и стоимость датчика.The pulsed ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat, according to the invention, includes (Fig. 1) a transmitting and receiving antenna 1, a controlled antenna switch 2, the use of which allows more efficient use of the energy of the generated microwave signal, the microwave signal generation path 3, a controlled electronic key 4 probing and reference signal generation, probe signal path 5, reflected signal receiver 6, reference signal path 7, information display unit 8, processing unit 9, bl ok 10 control and synchronization. The use of a single transmitter-receiver antenna 1 in the sensor allows the receiver 6 to be protected from direct passage of the probing signals in the radiation mode, which reduces the requirements for the dynamic range of the receiver 6, as well as significantly reduce the weight, dimensions and cost of the sensor.

Тракт 3 формирования СВЧ сигнала включает последовательно соединенные генератор 11 СВЧ-сигнала, фильтр 12 высокой частоты и буферный усилитель 13. Расположение фильтра 12 высокой частоты перед буферным усилителем 13 позволяет повысить стабильность и спектральную частоту генерируемых колебаний и уменьшить джиттер (нежелательные фазовые и/или случайные отклонения частоты). В дальнейшем это позволяет в значительной степени повысить точность оценки фазы принимаемогоThe microwave signal generating path 3 includes a serially connected microwave signal generator 11, a high-pass filter 12 and a buffer amplifier 13. The location of the high-pass filter 12 in front of the buffer amplifier 13 allows to increase the stability and spectral frequency of the generated oscillations and reduce jitter (undesired phase and / or random frequency deviation). In the future, this allows to significantly increase the accuracy of the estimated phase of the received

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) отраженного сигнала, что в свою очередь позволяет обеспечить более высокую точность наблюдения за механическими движениями малой амплитуды, такими как движение поверхности грудной клетки, вызванной работой сердца.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) reflected signal, which in turn allows for higher accuracy of observation of small-amplitude mechanical movements, such as movement of the surface of the chest caused by the work of the heart.

Тракт 5 зондирующего сигнала включает последовательно соединенные фильтр 14 высокой частоты и усилитель мощности 15.The probe signal path 5 includes a high-pass filter 14 and a power amplifier 15 connected in series.

Приемник 6 отраженного сигнала включает малошумящий усилитель 16, синфазный 17 и квадратурный 18 каналы. Синфазный канал 17 включает последовательно соединенные смеситель 19, фильтр 20 низкой частоты, низкочастотный усилитель 21 , защитный фильтр 22 низкой частоты и АЦП 23. Квадратурный 18 канал включает последовательно соединенные смеситель 24, фильтр 25 низкой частоты, низкочастотный усилитель 26, защитный фильтр 27 низкой частоты и АЦП 28. Защитные фильтры 22 и 27 устраняют эффект наложения спектров при дискретизации.The receiver 6 of the reflected signal includes a low noise amplifier 16, in-phase 17 and quadrature 18 channels. The common-mode channel 17 includes a series-connected mixer 19, a low-pass filter 20, a low-frequency amplifier 21, a low-frequency protective filter 22, and an ADC 23. A channel 18 includes a series-connected mixer 24, a low-pass filter 25, a low-frequency amplifier 26, a low-frequency protective filter 27 and ADC 28. Protective filters 22 and 27 eliminate the effect of superposition of the spectra during sampling.

Тракт 7 опорных сигналов включает последовательно соединенные фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31.The reference signal path 7 includes a series-connected high-pass filter 29, a power amplifier 30, and a phase-shifting circuit 31.

Блок 10 управления и синхронизации (фиг. 2) содержит формирователь 32 управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала, формирователь 33 синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа 4, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя 2, и задающий генератор 34, выход которого соединен с входами формирователя 32 управляющих сигналов и формирователя 33 синхронизирующих сигналов.The control and synchronization unit 10 (Fig. 2) contains a control signal generator 32, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator 11, a synchronization signal generator 33, the first output of which is connected to the control input of the electronic key 4, and the second output is connected to the control input antenna switch 2, and a master oscillator 34, the output of which is connected to the inputs of the shaper 32 of the control signals and the shaper 33 of the synchronizing signals.

Формирователь 32 управляющих сигналов содержит инвертор 35, управляемую линию 36 задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока 9 обработки, и логический элемент «И» 37, первый вход которого через управляемую линию 36 задержки соединен с выходом инвертора 35. Второй вход логического элемента «И» 37 и вход инвертора 35 соединены с выходом задающего генератора 34, а выход логического элемента «И» 37 соединен с входом генератора 11 СВЧ-сигнала.The driver 32 of the control signals contains an inverter 35, a controlled delay line 36, the control input of which is connected to the output of the processing unit 9, and a logic element "I" 37, the first input of which is connected through the controlled delay line 36 to the output of the inverter 35. The second input of the logic element " And "37 and the input of the inverter 35 are connected to the output of the master oscillator 34, and the output of the logic element" And "37 is connected to the input of the microwave signal generator 11.

Формирователь 33 синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора 34, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа 4, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя 2. Канал формирования синхронизирующих сигналов для управления работой электронного ключа 4 содержит последовательно соединенные первую линию 38 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 39 и вторую линию задержки 40, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 41. Второй вход логического элемента «И» 41 соединен с выходом первой линии 38 задержки, а выход, являясь вторым выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления электронного ключа 4. Канал формированияShaper of synchronizing signals 33 contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator 34, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key 4, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch 2. Channel for generating synchronizing signals to control operation the electronic key 4 contains a series-connected first delay line 38, the input of which is connected to the output of the master oscillator 34, an inverter 39 and a second a delay line 40, the output of which is connected to the first input of the AND gate 41. The second input of the AND gate 41 is connected to the output of the first delay line 38, and the output, being the second output of the clock generator 33, is connected to the control input of the electronic key 4. Channel formation

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) синхронизирующих сигналов для управления работой антенного переключателя 2 содержит последовательно соединенные первую линию 42 задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора 34, инвертор 43 и вторую линию задержки 44, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И» 45. Второй вход логического элемента «И» 45 соединен с выходом первой линии 42 задержки, а выход, являясь третьим выходом формирователя 33 синхронизирующих сигналов, соединен с входом управления антенного переключателя 2.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) clock signal to control the operation of the antenna switch 2 contains a series-connected first delay line 42, the input of which is connected to the output of the master oscillator 34, an inverter 43 and a second delay line 44, the output of which is connected to the first input of the logical element "AND" 45. The second input of the logical element "And" 45 is connected to the output of the first delay line 42, and the output, being the third output of the synchronizer 33, is connected to the control input of the antenna switch 2.

Датчик работает следующим образом. Задающий генератор 34 вырабатывает синхросигналы в виде прямоугольных видеоимпульсов (фиг. 3) с частотой следования, определяющей частоту следования импульсов зондирования (1-2 МГц), которые одновременно поступают в формирователь 32 управляющих сигналов и формирователь 33 синхронизирующих сигналов.The sensor operates as follows. The master oscillator 34 generates clock signals in the form of rectangular video pulses (Fig. 3) with a repetition rate that determines the repetition rate of the sensing pulses (1-2 MHz), which simultaneously enter the driver 32 of the control signals and the driver 33 of the synchronizing signals.

Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают на второй вход логического элемента «И» 37. Одновременно на первый вход логического элемента «И» 37 поступают инвертированные (фиг. 4) инвертором 35 и задержанные управляемой линией 36 задержки сигналы (фиг. 5) с задающего генератора 34. На выходе логического элемента «И» 37 сформированные прямоугольные импульсы (фиг. 6) имеют длительность, определяемую временем задержки τ i линии задержки 36. Время задержки τ -\ устанавливается оператором через блок обработки 9, соединенный с управляющим входом линии 36 задержки, и определяет дальность действия датчика. Сформированные сигналы поступают с первого выхода формирователя 32 управляющих сигналов на запускающий вход генератора 11 СВЧ сигнала, который формирует СВЧ радиоимпульсы с длительность равной длительности запускающих видеоимпульсов.The output signals of the master oscillator 34 are fed to the second input of the logical element "And" 37. At the same time, the inverted (Fig. 4) inverter 35 and the signals (delayed by the controlled delay line 36) (Fig. 5) from the master oscillator are inverted (Fig. 4) 34. At the output of the logic element “AND” 37, the generated rectangular pulses (Fig. 6) have a duration determined by the delay time τ i of the delay line 36. The delay time τ - \ is set by the operator through the processing unit 9 connected to the control input of the line and 36 delays, and determines the range of the sensor. The generated signals are fed from the first output of the driver 32 of the control signals to the triggering input of the microwave signal generator 11, which generates microwave radio pulses with a duration equal to the duration of the triggering video pulses.

Выходные сигналы задающего генератора 34 поступают также на входы формирователя 33 синхронизирующих сигналов, имеющего два канала. Первый канал, формирующий сигнал управления электронным ключом 4, включает первую линию 38 задержки, инвертор 39, вторую линию 40 задержки и логический элемент «И» 41. Линия 38 задержки обеспечивает задержку выходных сигналов задающего генератора 34 на время X2 (фиг. 7), необходимое для формирования СВЧ радиосигналов в генераторе 11 и их прохождения через фильтр 12 высоких частот и буферный усилитель 13 тракта формирования СВЧ сигналов 3, такую чтобы передний фронт управляющего сигнала (фиг. 10) поступал на управляющий вход электронного ключа 4 одновременно с началом поступления СВЧ радиоимпульса (фиг. 15) с выхода буферного усилителя 13 на вход электронного ключа 4. Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления электронным ключом 4, показаны на фиг. 7-10. Время переключения электронного ключа 4 из одного положения в другое, определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг. 10) и задается временемThe output signals of the master oscillator 34 are also input to the shaper 33 of the synchronizing signals having two channels. The first channel generating the electronic key control signal 4 includes a first delay line 38, an inverter 39, a second delay line 40, and an AND gate 41. The delay line 38 provides a delay of the output signals of the master oscillator 34 by time X 2 (Fig. 7) necessary for the formation of microwave radio signals in the generator 11 and their passage through the high-pass filter 12 and the buffer amplifier 13 of the microwave signal generation path 3 so that the leading edge of the control signal (Fig. 10) is fed to the control input of the electronic key 4 at the same time enno beginning with receipt of the microwave radio pulse (FIG. 15) from the output of buffer amplifier 13 to the electronic key input signals 4. The time chart for explaining processing operation of the channel control signal electronic key 4 shown in FIG. 7-10. The switching time of the electronic key 4 from one position to another is determined by the duration of the output control signals (Fig. 10) and is set by the time

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) задержки τ 3- Это время определяет и длительность выделяемых сигналов зондирования (фиг. 16). Второй канал, формирующий сигнал управления антенным переключателем 2, включает первую линию 42 задержки, инвертор 43, вторую линию 44 задержки и логический элемент «И» 45. Время задержки τ 4 выходных сигналов задающего генератора 34 выбирается таким образом, чтобы начало поступающего на вход антенного переключателя 2 (фиг. 18) зондирующего СВЧ радиоимпульса соответствовало переднему фронту управляющего сигнала (фиг. 14), поступающего с третьего выхода блока 10 управления и синхронизации (с выхода логического элемента «И» 45). Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу канала формирования сигнала управления антенным переключателем 2, показаны на фиг. 11-14. Время переключения антенного переключателя 2 из одного положения в другое определяется длительностью выходных управляющих сигналов (фиг. 14) и задается временем задержки τ 5 линии задержки 44. Это время задержки должно соответствовать длительности выделенных сигналов зондирования.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) delays τ 3 - This time also determines the duration of the allocated sensing signals (Fig. 16). The second channel generating the control signal for the antenna switch 2 includes a first delay line 42, an inverter 43, a second delay line 44, and an AND gate 45. The delay time τ 4 of the output signals of the master oscillator 34 is selected so that the beginning of the antenna input switch 2 (Fig. 18) of the probe microwave pulse corresponded to the leading edge of the control signal (Fig. 14) coming from the third output of the control and synchronization unit 10 (from the output of the logic element “AND” 45). Timing diagrams of signals explaining the operation of the channel for generating the control signal of the antenna switch 2 are shown in FIG. 11-14. The switching time of the antenna switch 2 from one position to another is determined by the duration of the output control signals (Fig. 14) and is set by the delay time τ 5 of the delay line 44. This delay time should correspond to the duration of the selected sensing signals.

Таким образом блок 10 управления и синхронизации вырабатывает сигнал запуска генератора 11 - видеоимпульс длительностью 10...21 не, что соответствует максимальной дальности действия датчика, созданный из прямоугольного видеоимпульса с выхода задающего генератора 34 линией 36 задержки. Время задержки задается оператором через блок 9 обработки до начала измерений и не меняется в процессе проведения измерений. Использование линии задержки 36 позволяет быстро перестраивать и ограничивать максимальную дальность действия датчика. А формирование одного сигнала запуска генератора 11 позволяет избежать формирование на выходе датчика сигналов, соответствующих «лoжнoмy движeнию» исследуемого объекта и/или неподвижных объектов.Thus, the control and synchronization unit 10 generates a start signal for the generator 11 — a video pulse with a duration of 10 ... 21 nsec, which corresponds to the maximum range of the sensor created from a rectangular video pulse from the output of the master oscillator 34 by the delay line 36. The delay time is set by the operator through the processing unit 9 before the start of measurements and does not change during the measurement. Using the delay line 36 allows you to quickly rebuild and limit the maximum range of the sensor. And the formation of one trigger signal of the generator 11 allows you to avoid the formation of the output of the sensor signals corresponding to the "false movement" of the investigated object and / or stationary objects.

После поступления сигнала запуска генератор 11 формирует относительно длинные радиоимпульсы (фиг. 15), которые проходят фильтр 12 верхних частот, где подавляются гармонические составляющие ниже ~ 5,5 ГГц, и буферный усилитель 13, который кроме усиления исключает влияние нагрузки на цепи генератора 11. На выходе тракта 3 формирования СВЧ-сигнала получаем радиоимпульсы длительностью 10-21 не с частотой заполнения - 6.5 ГГц и частотой повторения, зависящей от сигнала запуска, например, при дальности действия датчика до 2-х метров - 1...2 МГц.After the start signal arrives, the generator 11 generates relatively long radio pulses (Fig. 15), which pass through the high-pass filter 12, where harmonic components below ~ 5.5 GHz are suppressed, and a buffer amplifier 13, which, in addition to amplification, excludes the influence of the load on the generator circuits 11. At the output of the microwave signal generation path 3, we obtain radio pulses with a duration of 10-21 not with a filling frequency of 6.5 GHz and a repetition frequency that depends on the trigger signal, for example, with a sensor range of up to 2 meters - 1 ... 2 MHz.

Из сигнала, поступившего из тракта 3 формирования СВЧ-сигнала, управляемый электронный ключ 4, выделяет зондирующий сигнал (фиг. 16) длительностью порядка 2 не, поступающий через фильтр 14 высокой частоты и усилитель 15 мощности тракта 5 формирования зондирующего сигнала на вход управляемого электронного переключателя 2, и опорный сигнал (фиг. 17) длительностью порядка 8-19 не, поступающий через фильтр 29 высокой частоты и усилитель 30 мощности тракта 7From the signal received from the microwave signal generating path 3, the controlled electronic key 4 extracts a probing signal (Fig. 16) of the order of 2 nsec duration supplied through the high-pass filter 14 and the power amplifier 15 of the probing signal generating path 5 to the input of the controlled electronic switch 2, and a reference signal (Fig. 17) of a duration of the order of 8-19 non, coming through a high-pass filter 29 and a power amplifier 30 of the path 7

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) формирования опорных сигналов на вход смесителя 19 синфазного канала 17 приемника 6, а через фильтр 29 высокой частоты, усилитель 30 мощности и фазосдвигающую цепь 31 тракта 7 формирования опорных сигналов на вход смесителя 24 квадратурного канала 18 приемника 6. Нестабильность положения поступающего из блока 10 управления и синхронизации сигнала управления электронным ключом 4 во времени не влияет на разность фаз опорного и принятого отраженного сигналов в смесителях 19 и 24, так как эти сигналы сформированы из одного СВЧ сигнала.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the formation of the reference signals to the input of the mixer 19 of the in-phase channel 17 of the receiver 6, and through the high-pass filter 29, the power amplifier 30 and the phase-shifting circuit 31 of the path 7 of the formation of the reference signals to the input of the mixer 24 of the quadrature channel 18 of the receiver 6. The instability of the position coming from the control unit 10 and synchronization of the control signal of the electronic key 4 in time does not affect the phase difference of the reference and received reflected signals in the mixers 19 and 24, since these signals are formed from a single microwave signal.

После электронного ключа 4, сигнал проходит фильтр 14 высокой частоты с частотой среза ~ 5,5 ГГц, удаляющий низкочастотные гармоники сигналов управления электронным ключом 4, усиливается усилителем 15 мощности с регулируемым коэффициентом усиления до уровня, необходимого для работы на заданной дальности, и поступает на управляемый антенный переключатель 2. Антенный переключатель 2 обеспечивает работу приемно-передающей антенны 1 в двух режимах - на передачу и на прием. По умолчанию, антенна 1 работает в режиме приема отраженного от исследуемого объекта сигнала, а при подаче сигнала с блока 10 управления и синхронизации на управляющий вход антенного переключателя 2 антенна работает в режиме передачи зондирующего сигнала (фиг. 18).After the electronic key 4, the signal passes through a high-pass filter 14 with a cutoff frequency of ~ 5.5 GHz, which removes the low-frequency harmonics of the electronic key 4 control signals, is amplified by a power amplifier 15 with an adjustable gain to the level necessary to operate at a given range, and is fed to controlled antenna switch 2. Antenna switch 2 provides the operation of the transmit-receive antenna 1 in two modes - for transmitting and for receiving. By default, the antenna 1 operates in the mode of receiving a signal reflected from the object under investigation, and when a signal is supplied from the control and synchronization unit 10 to the control input of the antenna switch 2, the antenna operates in the transmission mode of the probing signal (Fig. 18).

Отраженный от исследуемого объекта сигнал (фиг. 19) с задержкой, соответствующей времени распространения сигнала до объекта и обратно, поступает на антенный переключатель 2, который после излучения зондирующего импульса был переключен обратно в положение «пpиeм». Далее сигнал поступает через малошумящий усилитель 16 в смеситель 19 синфазного кaнaлa17 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг. 20) с опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности, и в смеситель 24 квадратурного канала 18 приемника 6, где происходит его перемножение (фиг. 21) с сдвинутым по фазе на 90° фазосдвигающей цепью 31 опорным радиоимпульсом с выхода усилителя 30 мощности. Такая работа датчика в режиме приема отраженного сигнала позволяет обеспечить защитный интервал (по дальности), в пределах которого прием отраженных сигналов не ведется. Это позволяет повысить помехозащищенность приемника 6 от значительных пассивных помех, создаваемых расположенными в непосредственной близости от приемно-передающей антенны 1 предметами.The signal reflected from the object under investigation (Fig. 19) with a delay corresponding to the propagation time of the signal to the object and back arrives at antenna switch 2, which, after the radiation of the probe pulse, was switched back to the “receive” position. Next, the signal enters through the low-noise amplifier 16 to the mixer 19 of the common-mode channel 17 of the receiver 6, where it is multiplied (Fig. 20) with the reference radio pulse from the output of the power amplifier 30, and to the mixer 24 of the quadrature channel 18 of the receiver 6, where it is multiplied (Fig. 21) with a phase-shifted phase-shifting circuit 31 phase-locked reference radio pulse from the output of the power amplifier 30. This operation of the sensor in the mode of receiving the reflected signal allows you to provide a protective interval (range), within which the reception of reflected signals is not conducted. This allows you to increase the noise immunity of the receiver 6 from significant passive interference created by objects located in the immediate vicinity of the transmitting and receiving antenna 1.

Выходные сигналы смесителей (фиг. 22 и фиг. 23, соответственно) проходят фильтры 20 и 25 нижних частот с частотой среза - 0,5 кГц. На выходе фильтров 22 и 27 получаем сигналы, соответствующие изменению фазы принятого отраженного от исследуемого объекта сигнала, по отношению к опорным сигналам (фиг. 24 и фиг. 25, соответственно). В строго тактируемый момент времени АЦП 23 и 28 преобразуют в цифровой вид поступающие на них сигналы, которые поступают на блок 9 обработки, обеспечивающий восстановление закона движения и определения параметров движенияThe output signals of the mixers (Fig. 22 and Fig. 23, respectively) pass low-pass filters 20 and 25 with a cutoff frequency of 0.5 kHz. At the output of the filters 22 and 27, we obtain signals corresponding to the phase change of the received signal reflected from the object under study with respect to the reference signals (Fig. 24 and Fig. 25, respectively). At a strictly clocked point in time, the ADCs 23 and 28 digitize the signals arriving at them, which are sent to the processing unit 9, which ensures the restoration of the law of motion and determination of motion parameters

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) исследуемого объекта с учетом нежелательных отражений зондирующего сигнала от неподвижных объектов, согласно следующим зависимостям:SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the object under study, taking into account unwanted reflections of the probe signal from stationary objects, according to the following relationships:

(Z2U)Л (Emύп(φ(t)+φι)+G2λ / ч , arctg\ -^f{ = -* V v/Ч Ψϊ\ = φ(ή+ φx (Z 2 U) Л (E m ύп (φ (t) + φ ι ) + G2λ / h , arctan \ - ^ f {= - * V v / Ч Ψϊ \ = φ (ή + φ x

F{Ωt) = — (φ{ή+ φx ) = — f 4л- — sin(Ω/)+ 4л- ^-1 = ΔR sin(Ωf) + R1 F {Ωt) = - (φ {ή + φ x ) = - f 4l- - sin (Ω /) + 4l- ^ -1 = ΔR sin (Ωf) + R 1

4л- 4л- v Д Л J4l- 4l- v D L J

где G1 и G2 - константы, соответствующие уровню сигналов, отраженных от неподвижных объектов при обследовании пациента.where G1 and G2 are constants corresponding to the level of signals reflected from stationary objects during the examination of the patient.

Далее в блоке 8 отображения информации проводится отображение результатов мониторинга о параметрах и состоянии дыхательной и сердечно-сосудистой систем обследуемого пациента.Next, in block 8 of the information display, the monitoring results are displayed on the parameters and condition of the respiratory and cardiovascular systems of the examined patient.

Таким образом, применение оригинальной схемы управления генератором 11 СВЧ- сигнала, благодаря возможности осуществлять оперативную регулировку максимальной дальности действия датчика, применение вышеописанного процесса формирования опорного сигнала и сигнала зондирования, изменение режима работы антенного переключателя 2 (постоянная работа в режиме «пpиeм», за исключением времени прохождения сигнала зондирования), изменение режима работы приемника 6 датчика (работа в режиме «пpиeм» со всей дальности действия датчика), выполнение функции стробирования (выборки по дальности) АЦП 23 и 28, а также осуществление накопления откликов на зондирующие сигналы, позволило существенно повысить фазовую чувствительность диагностики исследуемого объекта и исключить «cлeпыe» зоны на всей рабочей дистанции датчика даже при перемещении обследуемого пациента, что позволило повысить точность и достоверность измерений параметров дыхания и сердцебиения.Thus, the use of the original control circuit of the microwave signal generator 11, due to the possibility of real-time adjustment of the maximum range of the sensor, the application of the above process of forming the reference signal and the sounding signal, changing the operating mode of the antenna switch 2 (continuous operation in reception mode, with the exception of the transit time of the sensing signal), changing the operating mode of the receiver 6 of the sensor (working in the “receive” mode from the entire range of the sensor), The gating (range sampling) of the ADCs 23 and 28, as well as the accumulation of responses to the probing signals, made it possible to significantly increase the phase sensitivity of the diagnostics of the studied object and to exclude “blind” zones over the entire working distance of the sensor even when moving the patient being examined, which made it possible to increase the accuracy and the validity of measurements of respiration and heart rate.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)

Claims

Формула изобретения Claim 1. Импульсный сверхширокополосный датчик дистанционного мониторинга дыхания и сердцебиения содержит:1. The pulse ultra-wideband sensor for remote monitoring of respiration and heartbeat contains: - приемно-передающую антенну, соединенную с управляемым антенным переключателем;- transmit-receive antenna connected to a controlled antenna switch; - тракт формирования СВЧ сигнала, включающий последовательно соединенные генератор СВЧ-сигнала, фильтр высокой частоты и буферный усилитель;- a microwave signal generating path including a serially connected microwave signal generator, a high-pass filter and a buffer amplifier; - управляемый электронный ключ формирования зондирующего и опорного сигналов;- a controlled electronic key for generating sounding and reference signals; - тракт зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты и усилитель мощности, выход которого соединен с входом антенного переключателя, а вход фильтра высокой частоты соединен с первым выходом электронного ключа;- a probe signal path including a high-pass filter and a power amplifier connected in series, the output of which is connected to the input of the antenna switch, and the input of the high-pass filter is connected to the first output of the electronic key; - приемник отраженного сигнала, включающий малошумящий усилитель, синфазный и квадратурный каналы, каждый из которых включает последовательно соединенные смеситель, фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, защитный фильтр низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь, при этом вход малошумящего усилителя соединен с выходом антенного переключателя, а выход с входами смесителей;- a reflected signal receiver including a low noise amplifier, in-phase and quadrature channels, each of which includes a series-connected mixer, a low-pass filter, a low-frequency amplifier, a low-frequency protective filter and an analog-to-digital converter, while the input of the low-noise amplifier is connected to the output of the antenna switch, and the output with the inputs of the mixers; - тракт опорных сигналов, включающий последовательно соединенные фильтр высокой частоты, усилитель мощности и фазосдвигающую цепь, выход которой соединен с вторым входом смесителя квадратурного канала приемника, выход усилителя мощности соединен также с вторым входом смесителя синфазного канала приемника, а вход фильтра высокой частоты соединен с вторым выходом электронного ключа;- a reference signal path, including a series-connected high-pass filter, a power amplifier and a phase-shifting circuit, the output of which is connected to the second input of the mixer of the quadrature channel of the receiver, the output of the power amplifier is also connected to the second input of the mixer of the in-phase channel of the receiver, and the input of the high-frequency filter is connected to the second electronic key output; - последовательно соединенные блок отображения информации и блок обработки, соединенный с выходами аналого-цифровых преобразователей;- series-connected information display unit and processing unit connected to the outputs of analog-to-digital converters; - блок управления и синхронизации, вход которого соединен с вторым выходом блока обработки, первый выход соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, второй выход соединен с входом управления электронного ключа, а третий выход соединен с входом управления антенного переключателя.- a control and synchronization unit, the input of which is connected to the second output of the processing unit, the first output is connected to the input of the microwave signal generator, the second output is connected to the control input of the electronic key, and the third output is connected to the control input of the antenna switch. 2. Датчик по п. 1 , отличающийся тем, что блок управления и синхронизации содержит формирователь управляющих сигналов, выход которого соединен с входом генератора СВЧ-сигнала, формирователь синхронизирующих сигналов, первый выход которого соединен с входом управления электронного ключа, а второй выход соединен с входом управления антенного переключателя, и задающий генератор, выход которого соединен с входами формирователя управляющих сигналов и формирователя синхронизирующих сигналов.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the control and synchronization unit comprises a driver of control signals, the output of which is connected to the input of the microwave signal generator, a driver of synchronization signals, the first output of which is connected to the control input of the electronic key, and the second output is connected to the control input of the antenna switch, and a master oscillator, the output of which is connected to the inputs of the driver of the control signals and the driver of the synchronizing signals. ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что формирователь управляющих сигналов содержит инвертор, управляемую линию задержки, управляющий вход которой соединен с выходом блока обработки, и логический элемент «И», первый вход которого через управляемую линию задержки соединен с выходом инвертора, второй вход и вход инвертора соединены с выходом задающего генератора, а выход логического элемента «И» соединен с входом генератора СВЧ-сигнала.3. The sensor according to claim 2, characterized in that the driver of the control signals comprises an inverter, a controlled delay line, the control input of which is connected to the output of the processing unit, and a logic element "I", the first input of which is connected through the controlled delay line to the output of the inverter, the second input and input of the inverter are connected to the output of the master oscillator, and the output of the logic element "AND" is connected to the input of the microwave signal generator. 4. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что формирователь синхронизирующих сигналов содержит два канала формирования синхронизирующих сигналов, входы которых соединены с выходом задающего генератора, выход первого канала соединен с входом управления электронного ключа, а выход второго канала соединен с входом управления антенного переключателя.4. The sensor according to claim 2, characterized in that the generator of synchronizing signals contains two channels for generating synchronizing signals, the inputs of which are connected to the output of the master oscillator, the output of the first channel is connected to the control input of the electronic key, and the output of the second channel is connected to the control input of the antenna switch . 5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что каждый канал формирования синхронизирующих сигналов содержит последовательно соединенные первую линию задержки, вход которой соединен с выходом задающего генератора, инвертор и вторую линию задержки, выход которой соединен с первым входом логического элемента «И», второй вход которого соединен с выходом первой линии задержки, а выход является выходом формирователя синхронизирующих сигналов.5. The sensor according to claim 4, characterized in that each channel for generating synchronizing signals contains a first delay line connected in series, the input of which is connected to the output of the master oscillator, an inverter and a second delay line, the output of which is connected to the first input of the AND gate, the second input of which is connected to the output of the first delay line, and the output is the output of the driver of synchronizing signals. 6. Датчик по п. 1 , отличающийся тем, что усилитель мощности тракта зондирующего сигнала приемника выполнен с регулируемым коэффициентом усиления.6. The sensor according to claim 1, characterized in that the power amplifier of the channel of the probing signal of the receiver is made with an adjustable gain. ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
PCT/RU2009/000082 2008-02-19 2009-02-19 Pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats Ceased WO2009104989A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008105888 2008-02-19
RU2008105888/14A RU2392852C2 (en) 2008-02-19 2008-02-19 Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009104989A1 true WO2009104989A1 (en) 2009-08-27

Family

ID=40985738

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2009/000082 Ceased WO2009104989A1 (en) 2008-02-19 2009-02-19 Pulsed ultrabroadband sensor for remotely monitoring respiration and heartbeats

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2392852C2 (en)
WO (1) WO2009104989A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103282791A (en) * 2010-10-28 2013-09-04 迈克兰研究生产联合股份公司 A radar station, featuring broadband, linear-frequency-modulated, continuous-wave emission
CN105249925A (en) * 2015-09-25 2016-01-20 刘垚 Traditional Chinese medicine pulse manifestation acquisition apparatus, noise reduction system and noise reduction method

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462990C2 (en) * 2010-05-19 2012-10-10 Эдуард Гусманович Зиганшин Device for remote contactless monitoring of human vital activity parameters
RU2559940C2 (en) * 2013-06-06 2015-08-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Method of remote control of organism's heart activity parameters

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4958638A (en) * 1988-06-30 1990-09-25 Georgia Tech Research Corporation Non-contact vital signs monitor
US6587072B1 (en) * 2002-03-22 2003-07-01 M/A-Com, Inc. Pulse radar detection system
RU2258455C2 (en) * 2003-11-05 2005-08-20 ЗАО "Транзас" Method of monitoring functional condition of human
RU2258942C1 (en) * 2004-09-28 2005-08-20 Лайф Сенсор Ко., Лтд. Method for stabilizing temporal position of ultra-broadband signal and locator for monitoring living objects, realizing said method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4085740A (en) * 1966-03-28 1978-04-25 Lockheed Corporation Method for measuring physiological parameter
US5220922A (en) * 1992-03-05 1993-06-22 Barany Laszlo P Ultrasonic non-contact motion monitoring system
DE10259522A1 (en) * 2002-12-19 2004-07-01 Robert Bosch Gmbh Radar-based sensing of the position and / or movement of the body or in the body of living beings

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4958638A (en) * 1988-06-30 1990-09-25 Georgia Tech Research Corporation Non-contact vital signs monitor
US6587072B1 (en) * 2002-03-22 2003-07-01 M/A-Com, Inc. Pulse radar detection system
RU2258455C2 (en) * 2003-11-05 2005-08-20 ЗАО "Транзас" Method of monitoring functional condition of human
RU2258942C1 (en) * 2004-09-28 2005-08-20 Лайф Сенсор Ко., Лтд. Method for stabilizing temporal position of ultra-broadband signal and locator for monitoring living objects, realizing said method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103282791A (en) * 2010-10-28 2013-09-04 迈克兰研究生产联合股份公司 A radar station, featuring broadband, linear-frequency-modulated, continuous-wave emission
CN103282791B (en) * 2010-10-28 2015-01-07 迈克兰研究生产联合股份公司 Radar Stations with Broadband Linear Frequency Modulated Continuous Wave Transmitters
CN105249925A (en) * 2015-09-25 2016-01-20 刘垚 Traditional Chinese medicine pulse manifestation acquisition apparatus, noise reduction system and noise reduction method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008105888A (en) 2009-08-27
RU2392852C2 (en) 2010-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2369323C1 (en) Impulse superwide-band sensor
JP2009213881A6 (en) Pulse type ultra-wideband sensor and method thereof
US8754806B2 (en) Pulse radar receiver
CN106932765A (en) With the radar equipment that phase noise is estimated
US20080221449A1 (en) Ultrasonic apparatus and ultrasonic diagnostic method
JP2008099849A (en) Non-contact diagnostic device
RU2392852C2 (en) Impulse superbroadband sensor of remote breath and heartbeat monitoring
Rong et al. Smart homes: See multiple heartbeats through wall using wireless signals
RU2392853C1 (en) Method of remote breath and heartbeat parametre measurement
Alizadeh et al. Remote heart rate sensing with mm-wave radar
Wei et al. Digitally assisted low IF architecture for noncontact vital sign detection
RU2159942C1 (en) Procedure detecting location of living objects and microwave locator for realization of procedure
CN113281740A (en) Ultra-wideband Doppler radar life detection system
JP6747600B2 (en) Heart rate measuring device
RU2470581C1 (en) Method of registering patient's breathing and heartbeat rhythms and device for its realisation
Gu et al. An instruments-built Doppler radar for sensing vital signs
Yowel et al. SNR improvement for heart rate estimation using mmWave 79 GHz FMCW MIMO radar
RU2321341C1 (en) Pulse wideband detector
D'Urso et al. Differential approach for through-the-wall life signs detection
RU137721U1 (en) DEVICE FOR DETECTING AND OBSERVING LIVING OBJECTS
RU2496410C1 (en) Device for distance registration of processes of patient's heart beats and respiration
JP3314991B2 (en) Ultrasonic Doppler device
TWI361059B (en) Pulsed ultra-wideband sensor and the method thereof
KR101548947B1 (en) Doppler apparatus and method for acquiring doppler mode data
RU117794U1 (en) ULTRASONIC DEVICE FOR MEASURING THE FREQUENCY OF THE HEART CONDITIONS OF THE FRUIT

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09713285

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09713285

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1